Por que razão as plataformas de petróleo e gás necessitam de UPS à prova de explosão

DICAS: As plataformas offshore de petróleo e gás operam em ambientes perigosos, onde as atmosferas explosivas representam ameaças constantes. Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) industrial deve possuir certificação ATEX e IECEx para as zonas 1 e 2, a fim de garantir a segurança. Estes sistemas UPS à prova de explosão protegem equipamentos críticos, como sistemas de paragem de emergência e deteção de incêndios, durante falhas de energia. Compreender as classificações das áreas perigosas ajuda os gestores das instalações a selecionar sistemas de alimentação ininterrupta adequados que cumpram os rigorosos regulamentos da indústria do petróleo e do gás.

Ⅰ. Introdução

As plataformas de petróleo e gás operam em alguns dos ambientes mais exigentes do mundo. Localizações offshore remotas, ar salino corrosivo, temperaturas extremas e vibração constante colocam à prova cada peça de equipamento. Mais importante ainda, estas instalações lidam com gases e vapores inflamáveis que criam riscos de explosão.

Uma fonte de alimentação ininterrupta industrial nestes locais tem de fazer mais do que apenas fornecer energia de reserva. Deve funcionar em segurança em atmosferas perigosas, sem se tornar uma fonte de ignição. Norma UPS Os sistemas não conseguem cumprir estes requisitos. É essencial dispor de UPS à prova de explosão com certificação ATEX e IECEx.

Este artigo analisa por que razão os sistemas UPS destinados à indústria do petróleo e do gás requerem proteção especializada contra explosões. Exploramos as classificações de áreas de risco, as normas de certificação e as aplicações críticas. Compreender estes requisitos garante uma proteção de energia segura e em conformidade com as normas para plataformas offshore, refinarias e operações de perfuração.

Figura 1: Requisitos críticos de carga do UPS e duração da autonomia em diferentes aplicações do setor do petróleo e do gás. As plataformas de produção necessitam de uma autonomia de 24 horas para os sistemas de segurança.

Ⅱ. Classificações de áreas perigosas

1. Compreender as zonas ATEX

A Diretiva ATEX 2014/34/UE define os requisitos aplicáveis aos equipamentos destinados a atmosferas explosivas. A diretiva classifica as áreas perigosas em zonas, com base na probabilidade de risco de explosão.

Zona 0 representa áreas onde existem misturas de gases explosivos de forma contínua ou durante longos períodos. Estas incluem o interior de recipientes de processo e de tanques de armazenamento. Apenas é permitido a utilização de equipamento intrinsecamente seguro (Ex ia) nestas áreas.

Zona 1 abrange áreas onde é provável que ocorram misturas explosivas durante o funcionamento normal. Os arredores do equipamento de processo, os pontos de amostragem e as áreas de manutenção enquadram-se nesta categoria. Os sistemas UPS para a Zona 1 requerem proteção à prova de chamas (Ex d) ou de segurança reforçada (Ex e).

Zona 2 inclui áreas onde é improvável que se formem misturas explosivas durante o funcionamento normal e, caso isso aconteça, estas só persistem por um curto período de tempo. Estas áreas circundam os locais da Zona 1 e incluem saídas de ventilação. As UPS com tipo de proteção Ex n ou Ex p podem funcionar nestas áreas.

A maioria dos equipamentos industriais de alimentação ininterrupta destinados ao setor do petróleo e do gás enquadra-se nas categorias Zona 1 ou Zona 2. A classificação Zona 1 oferece maior proteção e maior flexibilidade de aplicação.

2. Certificação Global IECEx

Enquanto a ATEX se aplica aos mercados europeus, a IECEx proporciona reconhecimento internacional. O Sistema de Certificação de Equipamentos da IECEx funciona ao abrigo das normas da IEC (série IEC 60079). A certificação obtida num país membro é reconhecida nos restantes.

A IECEx utiliza as mesmas classificações de zona que a ATEX, mas acrescenta os Níveis de Proteção do Equipamento (EPL). Estes especificam a fiabilidade do equipamento:

• EPL Ga: Adequado para a Zona 0 (nível de proteção muito elevado)
• EPL Gb: Adequado para a Zona 1 (nível de proteção elevado)
• EPL Gc: Adequado para a Zona 2 (nível de proteção geral)

Para UPS em aplicações do setor do petróleo e do gás, é normalmente exigido o EPL Gb. Isto garante que o equipamento não provocará a ignição de atmosferas explosivas, mesmo em caso de avaria do equipamento.

3. Grupos de gás e classes de temperatura

A proteção contra explosões deve ser adequada aos gases específicos presentes. As normas definem grupos de gases:

• Grupo IIA: Propano e gases semelhantes (os menos perigosos)
• Grupo IIB: Etileno e gases equivalentes
• Grupo IIC: Hidrogénio e acetileno (os mais perigosos)

A maior parte do processamento de hidrocarbonetos recorre a certificações do Grupo IIB ou IIB+H₂. A presença de hidrogénio exige a certificação do Grupo IIC.

As classes de temperatura indicam as temperaturas máximas da superfície:

• T1: 450 °C, no máximo
• T2: 300 °C, no máximo
• T3: 200 °C, no máximo
• T4: 135 °C, no máximo
• T5: 100 °C, no máximo
• T6: 85 °C, no máximo

Os equipamentos UPS requerem normalmente a classificação T3 ou T4 para o setor do petróleo e do gás. A classificação T6 raramente é necessária, mas proporciona uma margem de segurança adicional para gases com baixa temperatura de ignição.

Figura 2: Zonas de risco ATEX/IECEx e requisitos de certificação para sistemas UPS industriais em instalações do setor do petróleo e do gás.

Ⅲ. Requisitos técnicos para UPS à prova de explosão

1. Métodos de proteção (Ex d, Ex e, Ex p)

Existem diferentes técnicas de proteção contra explosões, adequadas a diferentes aplicações. Compreender estes métodos ajuda a especificar os sistemas UPS adequados.

Caixa à prova de explosão (Ex d): A caixa do UPS contém qualquer explosão interna. As paredes espessas e as juntas herméticas impedem a propagação das chamas para o exterior. Esta é a proteção mais comum para os UPS da Zona 1. O equipamento funciona à potência nominal com total segurança.

Maior segurança (Ex e): As características de conceção melhoradas evitam a formação de arcos elétricos, faíscas e temperaturas excessivas durante o funcionamento normal. As UPS Ex e também têm de estar certificadas para condições de avaria. Este método é adequado para aplicações de baixa potência e para limites das Zonas 1/2.

Pressurização (Ex p): O ar limpo ou o gás inerte mantêm uma pressão positiva no interior do invólucro do UPS. A entrada de gás é impedida pelo fluxo de ar para o exterior. Isto permite a utilização de UPS padrão no interior, mas requer sistemas de suporte complexos. A classificação Ex p é adequada para potências elevadas, em que a construção à prova de chamas se torna impraticável.

No que diz respeito às fontes de alimentação ininterruptas industriais no setor do petróleo e do gás, a classificação Ex d (à prova de chamas) domina o mercado. Proporciona uma proteção robusta sem necessitar de sistemas de apoio externos.

2. Resistência ambiental

As plataformas offshore apresentam desafios ambientais que vão além dos riscos de explosão. Os sistemas UPS requerem características de conceção especiais.

Resistência à corrosão: O ar salino corrói os componentes eletrónicos convencionais. As UPS à prova de explosão utilizam caixas em aço inoxidável (tipo 316) ou em alumínio com revestimentos de qualidade marítima. Os componentes internos são protegidos por um revestimento conformável.

Intervalo de temperatura: As plataformas offshore enfrentam temperaturas ambientes que variam entre -40 °C e +55 °C. As operações no Ártico exigem elementos de aquecimento. As localizações no deserto requerem um arrefecimento reforçado. O UPS deve manter a sua funcionalidade total nestas condições extremas.

Tolerância à vibração: As operações de perfuração geram vibrações constantes. Os sistemas UPS têm de cumprir as normas de vibração da norma IEC 60068-2-6. Os suportes antivibração e a construção interna reforçada evitam danos.

Proteção contra a humidade: A humidade 100% é comum em ambiente offshore. As caixas seladas impedem a entrada de humidade. Os respiradouros dessecantes e as juntas seladas mantêm as condições internas secas.

3. Considerações sobre a bateria

As baterias colocam desafios específicos em áreas perigosas. As baterias de chumbo-ácido libertam hidrogénio durante o carregamento — um gás explosivo. É obrigatório tomar precauções especiais.

Separação do compartimento da bateria: Normalmente, as baterias são instaladas em caixas Ex e separadas dos componentes eletrónicos do UPS. Isto isola as fontes de hidrogénio de potenciais fontes de ignição. Os sistemas de ventilação removem qualquer acumulação de gás.

Tipos de baterias: As baterias de chumbo-ácido seladas (VRLA) reduzem as emissões de gás em comparação com os modelos abertos. As baterias de níquel-cádmio oferecem uma melhor tolerância à temperatura, mas têm um custo mais elevado. Os sistemas de iões de lítio estão a ganhar terreno, mas exigem uma certificação rigorosa em matéria de gestão térmica.

Compensação de temperatura: O carregamento da bateria deve ser ajustado em função da temperatura ambiente. Os ambientes quentes reduzem a vida útil da bateria em caso de sobrecarga. Os ambientes frios exigem taxas de carregamento reduzidas. O controlador do UPS deve assegurar uma compensação automática.

Ⅳ. Aplicações críticas no setor do petróleo e do gás

1. Sistemas de desligamento de emergência (ESD)

Os sistemas de desligamento de emergência representam a carga mais crítica da UPS. Os sistemas ESD detetam condições perigosas e iniciam o desligamento da plataforma. A perda de energia pode impedir a resposta de emergência em momentos críticos.

Os sistemas ESD incluem:

• Válvulas de corte do processo
• Sistemas de isolamento de poços
• Controlos do preventor de fugas (BOP)
• Sistemas de deteção de incêndio e de gás
• Sistemas de difusão sonora e de alarme

Estes sistemas requerem uma autonomia do UPS que varia entre 30 minutos e 24 horas, dependendo do tipo de plataforma. As plataformas de perfuração necessitam de uma autonomia mais curta — a evacuação de emergência é a principal medida a tomar. As plataformas de produção necessitam de uma autonomia mais longa para gerir sequências de desligamento controlado.

Os requisitos de certificação da IESD são rigorosos. O UPS deve atingir os níveis de integridade de segurança (SIL) ao alimentar funções instrumentadas de segurança. Os pontos únicos de falha não devem comprometer as capacidades de resposta a emergências.

2. Detecção de incêndios e de gás

Os sistemas de deteção de incêndios e de gás protegem o pessoal e os bens. Estes sistemas de monitorização contínua não podem sofrer interrupções de energia.

Dispositivos de deteção: Os detetores de fumo, os detetores de calor e os sensores de gás combustível requerem alimentação contínua. As unidades de processamento de sinais analisam os dados dos sensores e acionam os alarmes. O sistema de alimentação ininterrupta (UPS) garante que a deteção se mantenha durante as falhas de energia.

Sistemas de alarme: Os alarmes sonoros, os sinais luminosos e os sistemas de difusão sonora alertam o pessoal para a existência de perigo. Estes sistemas têm de funcionar durante situações de emergência, quando a alimentação elétrica normal pode falhar.

Os sistemas UPS de deteção de incêndio e gás requerem, normalmente, um sistema de reserva de 24 horas. Isto garante que as falhas de energia durante a noite não comprometam a segurança. Os sistemas devem também resistir a eventos extremos, como explosões ou incêndios, que possam danificar a distribuição normal de energia.

3. Controlo de Processos e Instrumentação

As plataformas modernas de petróleo e gás dependem fortemente de sistemas de controlo automatizados. Os Sistemas de Controlo Distribuído (DCS) gerem os processos de produção. A perda de controlo conduz a interrupções na produção e a riscos de segurança.

Componentes do sistema de controlo: Os controladores, os módulos de E/S, os comutadores de rede e as estações de operação requerem alimentação por UPS. Embora não sejam críticos para a segurança, como o ESD, estes sistemas garantem um funcionamento estável.

Instrumentação: Os medidores de caudal, os transmissores de pressão, os sensores de nível e os analisadores fornecem dados do processo. A alimentação elétrica ininterrupta garante uma monitorização e um controlo precisos.

As UPS de controlo de processos proporcionam, normalmente, um tempo de autonomia de 30 minutos a 2 horas. Isto permite o encerramento ordenado dos processos de produção. Raramente é necessário um tempo de autonomia mais longo, uma vez que o encerramento controlado se conclui dentro deste intervalo de tempo.

4. Navegação e Comunicação

As plataformas offshore necessitam de ajudas à navegação para o tráfego marítimo. A iluminação de aterragem de helicópteros orienta as evacuações médicas de emergência. Os sistemas de comunicação mantêm o contacto com as operações em terra e os serviços de emergência.

Ajudas à navegação: As balizas de radar, as sirenes de nevoeiro e os sistemas de iluminação indicam a localização das plataformas. Estes sistemas têm de funcionar de forma contínua, especialmente durante as tempestades, quando é provável que ocorram falhas de energia.

Iluminação do heliporto: A iluminação da zona de aterragem, a iluminação do perímetro e a iluminação de obstáculos orientam os helicópteros. O sistema de alimentação de emergência (UPS) garante que as evacuações médicas possam prosseguir em caso de falhas de energia.

Comunicações por rádio e por satélite: Os rádios VHF permitem a comunicação de emergência. As ligações por satélite garantem a transmissão de dados operacionais. O sistema UPS assegura que estes sistemas permaneçam disponíveis durante situações de crise.

As UPS de navegação e comunicação proporcionam, normalmente, um tempo de autonomia de 4 a 8 horas. Isto cobre a duração habitual de uma falha de energia, mantendo simultaneamente as capacidades de emergência.

Ⅴ. Certificação e conformidade com as normas

1. Diretiva ATEX 2014/34/UE

As instalações europeias de petróleo e gás têm de cumprir os requisitos da ATEX. A diretiva abrange tanto a conceção dos equipamentos como a segurança no local de trabalho.

O equipamento deve ostentar a marcação CE com a designação «Ex»:

• Símbolo CE e Ex na etiqueta do equipamento
• Número da categoria (1 para a Zona 0, 2 para a Zona 1, 3 para a Zona 2)
• G de gás (D de pó)
• Nível de proteção (Ga, Gb ou Gc)
• Número do certificado emitido pelo organismo notificado

É exigida uma notificação de garantia de qualidade (QAN) para os equipamentos das categorias 1 e 2. Os fabricantes devem manter sistemas de gestão da qualidade certificados. A produção segue protocolos de qualidade rigorosos, sujeitos a auditorias realizadas por entidades independentes.

A documentação relativa à Declaração de Conformidade deve acompanhar cada sistema UPS. Este documento comprova que o equipamento cumpre todos os requisitos essenciais de saúde e segurança.

2. Requisitos do Esquema IECEx

A IECEx garante o reconhecimento global da certificação. O programa inclui:

Equipamento com certificação IECEx: Realização de ensaios por organismos de certificação IECEx (ExCBs) nos países membros. Os certificados são reconhecidos internacionalmente, evitando a realização de ensaios redundantes.

Relatório de Avaliação da Qualidade (QAR) da IECEx: Confirma que os sistemas de qualidade do fabricante cumprem os requisitos da IECEx. As auditorias da QAR verificam a conformidade contínua.

Relatórios de ensaio da IECEx (ExTR): Documentação detalhada dos ensaios que sustenta a certificação. Estes relatórios fornecem provas técnicas de conformidade.

Para os fabricantes de UPS, a certificação IECEx abre as portas aos mercados globais. Um único processo de certificação cumpre os requisitos na Austrália, em Singapura, nos Emirados Árabes Unidos e em muitas outras regiões produtoras de petróleo e gás.

3. Normas regionais

Diferentes regiões impõem requisitos adicionais para além das normas ATEX/IECEx:

Estados Unidos (UL/NEC): As classificações de Classe I, Divisões 1 e 2 correspondem às Zonas 0/1 e 2. Aplicam-se as normas UL 1203 e UL 1012. A classificação da área segue o Artigo 500 do Código Elétrico Nacional (NEC).

Canadá (CSA): À semelhança dos requisitos dos EUA relativos à certificação CSA. O Código Elétrico Canadiano, Parte I, regula a instalação.

Brasil (INMETRO): Exige certificação nacional, para além da certificação IECEx. A Portaria n.º 179/2010 estabelece os requisitos.

Rússia (GOST-R e TR CU): Aplicam-se os regulamentos técnicos da União Aduaneira. A marcação EAC é obrigatória.

Médio Oriente (SASO, GOST): A Arábia Saudita, os Emirados Árabes Unidos e outros Estados do Golfo reconhecem a IECEx, mas podem exigir certificação local adicional.

A implementação bem-sucedida de UPS requer a compreensão de todas as normas aplicáveis. As estratégias de certificação múltipla respondem aos diversos requisitos do mercado.

Figura 3: Comparação dos métodos de proteção contra explosões e requisitos de MTBF para aplicações críticas de UPS no setor do petróleo e do gás. A classificação «Ex d» (à prova de explosão) oferece a maior adequação à Zona 1.

Ⅵ. Considerações sobre a conceção do sistema

1. Estratégias de redundância

As aplicações críticas nos setores do petróleo e do gás não podem tolerar falhas no sistema UPS. As estratégias de redundância garantem uma proteção contínua.

Redundância N+1: Um UPS de reserva suporta várias cargas críticas. Se uma unidade falhar, a unidade de reserva assume a carga. Isto permite equilibrar o custo e a fiabilidade.

Redundância 2N: Duplicação completa dos sistemas UPS. Cada carga crítica dispõe de duas fontes de alimentação independentes. Os comutadores de transferência automática selecionam a fonte de alimentação ativa.

Redundância paralela: Várias unidades UPS funcionam em paralelo, partilhando a carga. Se uma delas falhar, as unidades restantes assumem a carga sem interrupção.

No caso dos sistemas ESD e de deteção de incêndio e gás, a redundância 2N é frequentemente obrigatória. Os sistemas de controlo de processos podem utilizar a configuração N+1. Os sistemas de navegação aceitam normalmente um único UPS com bateria de reserva.

2. Duração da bateria de reserva

A capacidade da bateria determina a duração da autonomia de reserva. Os requisitos variam consoante a aplicação e o tipo de plataforma.

Fatores de cálculo:

• Potência de carga (kW)
• Obrigatório tempo de backup (horas)
• Tensão no final da descarga
• Fator de envelhecimento da bateria (normalmente 0,8)
• Fator de redução de potência em função da temperatura

As salas de baterias requerem ventilação e controlo da temperatura. Os sistemas de deteção de hidrogénio monitorizam a acumulação de gás. O acesso para manutenção deve permitir a substituição segura das baterias sem entrar em áreas perigosas.

3. Monitorização e gestão remota

Os sistemas UPS modernos oferecem amplas capacidades de monitorização. A gestão remota é essencial para plataformas não tripuladas.

Parâmetros críticos:

• Tensão e corrente de entrada/saída
• Tensão da bateria e estado de carga
• Leituras de temperatura (ambiente e interna)
• Estado das ventoinhas e funcionamento do sistema de refrigeração
• Condições de alarme e códigos de avaria

Os protocolos Modbus, OPC-DA ou OPC-UA interagem com os sistemas de controlo da plataforma. A integração com o SCADA permite uma monitorização centralizada. Os diagnósticos remotos reduzem as visitas de manutenção a áreas perigosas.

Ⅶ. Conclusão

As plataformas de petróleo e gás exigem sistemas industriais especializados de alimentação ininterrupta de energia. Os riscos de explosão exigem equipamento com certificação ATEX e IECEx, concebido para locais das Zonas 1 e 2. Os sistemas UPS padrão não conseguem cumprir estes rigorosos requisitos de segurança.

A natureza crítica dos sistemas de ESD, da deteção de incêndios e do controlo de processos faz com que UPS fiável essencial. As falhas de energia durante situações de emergência podem desativar os sistemas de segurança precisamente quando estes são mais necessários. As UPS à prova de explosão oferecem proteção tanto contra a perda de energia como contra riscos de ignição.

Uma implementação bem-sucedida requer a compreensão das classificações das áreas perigosas, dos métodos de proteção e dos requisitos de aplicação. A construção à prova de chamas Ex d domina o mercado devido à sua proteção robusta e à sua relativa simplicidade. Os sistemas de baterias requerem atenção especial devido à geração de hidrogénio durante o carregamento.

À medida que as operações de petróleo e gás se deslocam para ambientes mais adversos — águas mais profundas, regiões árticas, temperaturas mais elevadas —, as exigências impostas aos sistemas UPS irão aumentar. As normas de certificação irão evoluir para dar resposta a novos desafios. Apenas os sistemas UPS especializados à prova de explosão podem satisfazer estes requisitos cada vez mais exigentes.

Referências

1. Comissão Eletrotécnica Internacional (CEI)Sítio Web oficial: www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL)Sítio Web oficial: www.ul.com
3. Comité Europeu de Normalização (CEN)Sítio Web oficial: www.cen.eu
4. Administração da Normalização da China (SAC)Sítio Web oficial: www.sac.gov.cn
5. Aliança Tecnológica da Indústria de Armazenamento de Energia de Zhongguancun (CNESA)Sítio Web oficial: www.cnESA.org
6. Organização Internacional de Normalização (ISO)Sítio Web oficial: www.iso.org